设计并验证传输速率超过100 Gbps的有线通道

《IEEE Transactions on Signal and Power Integrity》：Design and Verification of Wired Channels Beyond 100 Gbps

采用IEEE 802.3标准中的信道操作余量（COM）方法，通过实验验证了100 Gbps四电平脉冲幅度调制（PAM4）信号在C2M接口中的优化设计流程，结合新型垂直眼闭合（VEC）和信噪比（SNDR）指标，提出了基于实测设备的系统化信道均衡方案，为突破200 Gbps传输极限提供了标准化设计框架。

　　

摘要：

对于有线通道（如芯片到模块接口），要将数据速率提升到100 Gbps以上，就需要根据具体的无源通道特性，非常仔细地评估和优化发射机和接收机的性能以及均衡能力。IEEE 802.3以太网标准中提出的“通道工作裕度”（Channel Operating Margin, COM）方法正是为此目的而开发的。本文采用了该方法，展示了如何使用它来制定严格的步骤流程，对发射机进行特性分析，并对接收机均衡效果进行可靠评估。通过大量实验验证了COM方法在优化100 Gbps四电平脉冲幅度调制（PAM4）信号以及推动通道设计达到长度（和损耗）极限方面的有效性。

引言

当今物理层互联网基础设施中高速数字通信数据速率的快速增长，是由人工智能（AI）应用的数据密集型特性[1]、对实时处理的需求以及AI驱动的内容和服务的兴起[2]所推动的。对更快、更高效的数据传输的需求将持续增长[3]，这促使人们需要新的技术[4]和通道建模与设计方法[5]，以及创新的测试和测量方法[6]。当前有线通道中最高数据速率面临的最大挑战在于数据中心中的芯片到模块（Chip-to-Module, C2M）接口，该接口是光纤上的信号到达光模块并被转换为其电信号之后的主要电气通道。当前的IEEE标准[7]和OIF标准[8]分别要求C2M通道在106 Gbps和112 Gbps下运行，采用四电平脉冲幅度调制（PAM4）[9]。尽管[7]和[8]标准规定了符合要求通道的条件，但印刷电路板（PCB）、连接器接口和均衡器的设计需要在这许多物理和电气参数之间找到最佳平衡点，例如多个阻抗不连续性[10]和复杂的通孔过渡[11]。虽然均衡方案和架构不断进化[12]，以提供更强的损耗通道支持和更高的数据速率[13]，但它们的优化仍需基于特定的无源通道串扰[14]和可用的损耗预算[15]来进行。本文基于一款符合C2M设计要求的配套板，开发了一套实用的流程，通过应用IEEE 802.3标准中引入的通道工作裕度（COM）方法及其后续发展版本，引入了新的评估指标（如垂直眼图闭合度（Vertical Eye Closure, VEC）和信噪比及失真比（Signal-to-Noise and Distortion Ratio, SNDR）来开展发射机特性分析和接收机设计。研究了不同长度的C2M通道，以验证该接口的最大可用损耗预算。本文提出的方法将COM算法和架构作为基准参考流程，适用于任何高速串行接口。这同样适用于正在开发的下一代以太网标准，后者可能需要更精细的分析和设计技术。当然，目标是将数据速率提升到200 Gbps以上[17]。实际测试设备将被用来全面表征作为发射机的仪器源，并适当应用由COM算法优化得出的接收机均衡参数。本文从最新的以太网标准[7]出发，证明了100 Gbps信号传输的可行性，并为以太网通道的设计和优化提供了明确的COM方法应用流程，以及验证确保均衡后波形可检测的最大通道损耗预算的方法。COM算法与基于多种均衡设置的实验结果的一致性，验证了该方法的可适用性，使其成为高速串行接口设计和优化的可靠工具。